基于可靠性的石油机械系统全寿命优化设计模型研究

梅军华 付群利 韩家员 姜有云

摘要：随着社会经济的高速发展，对石油机械系统的可靠性提出了更高的要求，在可靠性设计方面，以全寿命优化设计为主导，以设计可靠性为指标，将各类部件的控制参数作为一个整体，以达到全系统优化设计的目的。本文分析了基于可靠性的石油机械系统全寿命优化设计模型。

关键词：石油机械系统；可靠性；全寿命；优化设计；模型

在很早以前，就有学者提出基于可靠性的结构优化设计指导思想[1]，采用基于可靠性的石油机械系统全寿命优化设计模型，不仅可以降低采购成本，也可以有效解决当前石油机械系统所面临的问题，即石油机械系统具有的结构复杂、动态荷载及环境因素等问题。因此，分析石油机械系统的优化设计模型具有十分重要的意义。

1.影响可靠度的因素及因素等级集的构建分析

一般石油机械系统的零部件主要分为有限寿命部件集、耐久寿命部件集等两部分。针对有限寿命部件集（SUFL），通常其寿命远远比系统寿命小的多，在系统寿命周期内，不需要对其进行围堵，若系统零部件出现故障，只需更换即可，而该部件的控制参数则为设计平均失效寿命。然而，对于耐久寿命部件集，其全寿命设计的控制参数为设计可靠度，当该部件出现故障时，则必须及时对其进行维护、维修，并且该类部件的成本及附加值比较高。

2.可靠度决断集的构建分析

2.1 SUFL时变可靠度。针对有限寿命零部件可靠度的定义，在t时刻内，其计算公式为：Rt（t）=P[Z（t）≥0]=P[G（t）-S（t）≥0]，其中，UFL平均失效时间的定义为： ， 表示为UFL优化控制参数，其是与R（t）一一对应的。SUFL时变可靠度主要体现在两个方面：第一，机械系统零部件的可靠度将随着零部件抗力G（t）的急剧衰减而逐渐降低，尤其是零部件的环境腐蚀，将会导致机械强度衰减和机械疲劳；第二，零部件上的荷载效应将会随着时间的变化而变化。

2.2 SUDL可靠度。对于耐久寿命部件集，其寿命与系统的设计寿命T是相同的，将设计可靠度作为系统全寿命设计控制参数，其公式为：R（L）（T）=P（ΩT）=P[G（T）-S（T）≥0]，其中，ΩT表示在预定寿命周期T内零部件在正常工作状态下的随机事件，P（ΩT）表示发生的概率。

3.可靠性指标模糊决策的确定分析

在优化设计中，对于可靠度决断集的构建，首先，应对机械系统的成本费用进行分析，包括：第一，SUFL成本费用，从前面叙述可知，当系统零部件失效时，只需对其进行更换，这就要求准备备用零部件，由于系统中有限寿命部件的成本费用属于单调递增函数，即零部件数量越多，设计寿命周期越长，则成本费用越高；第二，SUDL成本费用，耐久寿命零部件的成本费用也属于单调递增函数，其与设计寿命周期相关联，由此可知，机械系统总成本费用是有效寿命部件的成本费用与耐久寿命零部件的设计可靠度向量之和。

其次，针对系统的损失期望，其计算公式为：L=L（U）+L（s），其中，L（U）表示零部件失效的损失期望，L（s）表示整个系统失效所造成的损失。在零部件失效方面，由于有限寿命零部件的成本费用较低，若零部件失效，其只需要更换即可，该零部件不会造成较大的损失，并且失效损失将会纳入到成分费用中，因此，零部件的损失期望主要由时不变SUDL和时变SUDL损失期望决定，然而，时不变损失期望主要零部件失效损失和失效概率决定，而时变的损失期望主要由时间决定，根据相关资料表明，零部件失效的损失期望为零部件的维护、维修成本费用，因此，在优化模型设计中，应充分考虑零部件失效的损失期望。另一方面，系统失效。若出现系统失效的情况，将会造成断电断水、停工停产等现象，导致难以达到设计的目标，因此，在设计过程中，应准确计算这些因素造成的损失，在全寿命周期内，系统的损失期望公式为： ，其中，系统可靠度是时间t的函数。另外，在计算损失期望中，也应将经济效益期望计算机在损失值中，其主要原因是系统运行的经济效益直接决定了用户的管理水平。

再者，在损失方面，第一，UDL失效，其主要表现在直接经济损失及间接损失方面， 在间接损失中，主要包括相关联零部件及附属结构所造成的损失；第二，系统失效，主要包括停工停产、环境问题，系统失效及大型机械系统等失效后所造成的经济损失，由于石油采集属于投资资金多、具有危险性的行业，在石油机械系统运行中，难免会出现非正常失效的情况，这就给石油采集造成严重的经济损失。因此，正确分析、评估石油机械所造成的失效损失值，提高物资供应的可靠度水平，这就要求在设计过程中，应充分考虑社会及市场因素所造成的影响，在系统全寿命周期内，其损失值可以表达为：D（S）（t）=D（S1）（t）+D（S2）（t）+D（S3）（t）+D（S4）（t），其中，D（S1）（t）表示停工停产所造成的经济损失，D（S2）（t）表示系統失效后所造成的经济损失，D（S3）（t）表示大型机械系统失效后造成的经济损失，D（S4）（t）表示由环境问题所造成的经济损失。由此可知，机械系统全寿命周期费用模型主要是零部件成本费用及长期的经济效益，其系统优化公式为：系统全寿命周期费用=成本费用+损失期望。

4.结束语

在系统全寿命周期内，在设计过程中应充分考虑零部件的成本费用及损失期望值，将设计可靠度作为系统零部件控制参数，充分重视可靠度指标与成本费用与损失期望的关系，最终建立基于可靠性的系统全寿命周期优化设计模型。

参考文献：

[1]叶南海.机械疲劳寿命预测与可靠性设计关键技术研究[D].湖南大学，2012.

[2]张月雷.机械系统可监测性设计理论及在船舶机械中的应用研究[D].武汉理工大学，2011.

[3]杨周.非正态分布参数的机械构件的可靠性灵敏度与可靠性稳健设计[D].东北大学，2010.

[4]汪忠来.基于模型的不确定性优化设计方法研究[D].电子科技大学，2009.